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마찰력을 이미지로 작성

횡력현미경

XE 시리즈 횡력현미경(LFM)의 원리는 접촉 모드 원자현미경의 원리와 매우 흡사합니다. 접촉 모드에서는 캔틸레버의 수직 방향 휨을 측정하여 시료 표면 정보를 수집하는 반면, LFM에서는 캔틸레버의 수평 방향 휨을 측정합니다. 캔틸레버의 수평 휨은 캔틸레버가 시료 표면을 수평으로 이동할 때 캔틸레버에 작용하는 힘의 결과이며 이 휨의 강도는 마찰계수, 시료 표면의 형상, 캔틸레버 이동 방향 및 캔틸레버의 수평 스프링 상수에 따라 결정됩니다. XE 시리즈의 횡력현미경은 불균질한 성분으로 구성된 시료 표면을 연구하는 데 매우 유용합니다. 또한 시료 표면에서 경사가 급격하게 변화하는 모서리 또는 성분이 다른 경계선의 대비를 강조하는 데 사용되기도 합니다.

Lateral-Force-Microscopy-LFM-f1

그림 1. (상단) 원자현미경 및 (하단)LEM의 PSPD

 XE 시리즈 LFM은 캔틸레버의 수직 방향뿐 아니라 수평 방향 이동을 측정하여 탐침과 시료 간의 표면 마찰을 정량적으로 측정하므로 그림 1과 같이 4개의 구역(4셀)으로 구성된 위치 감지형 광검출기(PSPD)를 사용합니다. 일반적으로 원자현미경에서는 시료 표면의 형상을 측정하기 위해 4셀 PSPD의 "2셀" 신호, 통칭 "A-B" 신호를 이용합니다. 이 신호는 그림 1과 같이 4셀 PSPD에서 위쪽 셀(A+C)과 아래쪽 셀(B+D) 간의 차이와 연관됩니다.

형상 정보 = (A+C)-(B+D)

 

시료 표면의 마찰 변화와 연관되는 LFM 신호는 캔틸레버의 수평 방향 휨을 측정하며 오른쪽 셀(A+B)과 왼쪽 셀(C+D)에서 기록되는 신호의 차이로 나타낼 수 있습니다.

마찰 정보 = (A+B) – (C+D)

 

Lateral-Force-Microscopy-LFM-f2

 

그림 2. 원자현미경과 캔틸레버의 수평 휨 신호

그림 2 (a)에서는 중앙에 계단이 있고 양쪽 옆이 낮고 부드러운 표면 구조를 보여 줍니다. 왼쪽의 평평한 부분에는 마찰계수가 비교적 높은 구역이 있습니다. 단면 b는 캔틸레버가 왼쪽에서 오른쪽으로 스캔할 때 만나는 형상 및 서로 다른 마찰계수를 나타냅니다. 단면 c는 표면 형상과 구조의 원자현미경 이미지이며, 캔틸레버의 수평 휨을 제외한 수직 휨 변화로 표현됩니다. 단면 d 및 단면 e는 캔틸레버의 수평 휨을 나타내는 LFM 신호를 보여 줍니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 스캔할 때 표면 구조가 갑자기 융기할 경우 캔틸레버가 즉시 오른쪽으로 휘어집니다. 이에 따라 그림 2 (d)의 ③ 지점과 같이 횡력 신호에 볼록한 모양이 나타납니다. ④ 지점과 같이 탐침이 급격한 하강 계단을 만나면 정반대의 현상이 나타납니다.

① 지점과 ② 지점 사이의 구간은 시료 표면에서 주위 영역보다 소재의 표면 마찰계수가 높은 영역을 나타냅니다. 형상 신호로 이러한 구간을 분별할 수 있는 표면 형상은 없습니다. ① 지점과 ② 지점 사이의 형상 정보는 동일하지만 LFM 신호에서는 분명한 차이점이 드러납니다. 캔틸레버가 이 영역을 왼쪽에서 오른쪽으로 스캔하면 상대적 마찰 증가로 인해 캔틸레버가 오른쪽으로 기울어져 LFM 신호가 상승합니다.

그림 2 (e)에서는 스캔 방향이 반대일 때의 LFM 신호를 보여 줍니다. 캔틸레버가 화살표 방향으로 스캔할 때 시료 표면의 형상과 관련된 ③ 지점과 ④ 지점에서는 LFM 신호의 변화가 없습니다. 그러나 반대 방향으로 스캔할 때는 ① 지점과 ② 지점 사이의 마찰 계수가 더 큰 영역에서 캔틸레버가 왼쪽으로 기울어지므로 LFM 신호가 하강합니다.

LFM 결과는 표면 마찰과 형상에 대한 정보를 모두 포함합니다. 따라서 LFM 측정 결과를 분석할 때는 형상 이미지와의 비교를 통해 마찰계수의 차이에서 비롯되는 정보와 시료 표면의 형상 변화에서 비롯되는 정보를 구분해야 합니다. 그림 3에서는 인간 모발의 (a) 원자현미경 형상 이미지 및 (b) LFM 이미지를 보여 줍니다(스캔 크기 20μm). 그림 3 (b)에서 케라틴 단백질 부분의 마찰력 차이를 분명하게 관찰할 수 있습니다.

Lateral-Force-Microscopy-LFM-f3

그림 3. (a) 모발의 (a) 형상 이미지 및 (b) LFM 이미지(스캔 크기 20μm)

 

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